Ottenuta la più complessa e incredibile mappa di un cervello: contiene tutti i neuroni e le sinapsi
Gli scienziati hanno realizzato la più estesa, completa e avanzata mappa di un cervello animale, quello della larva del moscerino della frutta (Drosophila melanogaster). Un lavoro straordinario che ha richiesto circa 12 anni di impegno quotidiano. Per rendersi conto del risultato, che avrà ripercussioni significative tanto nello studio del cervello umano quanto nell'elaborazione di nuove intelligenze artificiali, basti sapere che i ricercatori hanno incluso ogni connessione neuronale presente nel cervello dell'insetto, per un totale di 548mila sinapsi e 3.016 neuroni. Ciò che ne è uscito fuori è un complesso e dettagliatissimo diagramma che prende il nome di connettoma.
A sviluppare la più completa e avanzata mappa di un cervello animale è stato un copioso team di ricerca internazionale guidato da scienziati britannici dell'Università di Cambridge, del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università Johns Hopkins di Baltimora (Stati Uniti) e della Divisione di Neurobiologia del Laboratorio di Biologia Molecolare MRC, che hanno collaborato a stretto contatto con i colleghi del Janelia Research Campus – Istituto di Medicina Howard Hughes e dell'Università della California di Los Angeles. I ricercatori, coordinati da Michael Winding, Marta Zlatic, Albert Cardona e Joshua T. Vogelstein, hanno raggiunto questo traguardo dopo un lavoro meticoloso ed estenuante, durante il quale hanno scansionato migliaia di sezioni del cervello dell'insetto – attraverso potenti microscopi elettronici – e hanno unito una ad una tutte le immagini tutte le immagini ottenute. Ciò ha permesso di mappare e contrassegnare tutti i neuroni (suddivisi in 93 tipi diversi) e ogni singola connessione tra queste cellule. Le tecniche di imaging hanno richiesto un giorno di lavoro per singolo neurone, ecco perché ci sono voluti 12 anni per arrivare allo straordinario risultato.
Fino ad oggi a risoluzione sinaptica completa erano stati mappati i cervelli di sole tre specie poco complesse, con poche centinaia di neuroni ciascuna: il nematode Caenorhabditis elegans, la larva di ascidia Ciona intestinalis e l'anellide marino Platynereis dumerilii. Questo progetto di ricerca iniziò negli anni '70 del secolo scorso proprio sul cervello del nematode, un lavoro che portò alla conquista del premio Nobel. Il nuovo studio si è concentrato sul moscerino della frutta perché si tratta di un eccellente modello per la ricerca scientifica – è alla base di molteplici studi di biologia – e di una specie che “condivide gran parte della sua biologia fondamentale con gli esseri umani, inclusa una base genetica comparabile”, ha scritto l'Università Johns Hopkins in un comunicato stampa. Senza dimenticare che si tratta di un animale con capacità di apprendimento e “comportamenti decisionali”.
Nonostante l'estrema complessità del connettoma ottenuto, siamo comunque innanzi a un cervello compatto che è stato possibile ricostruire in tempi ragionevoli. Il reale obiettivo degli scienziati è arrivare a mappare completamente il cervello di un mammifero come quello del topo, anch'esso modello prediletto per la sperimentazione scientifica. Il problema risiede nel fatto che il cervello di un topo è un milione di volte più grande e complesso di quello del moscerino della frutta; nonostante le avanzatissime tecnologie disponibili, attualmente non è pensabile poterlo riprodurre nello stesso modo, perlomeno non in tempi “umani”. Ma anche il risultato appena raggiunto permetterà progressi significativi nella comprensione di come il passaggio dei segnali tra un neurone e l'altro (le connessioni sinaptiche) si traduce in comportamenti e apprendimento. I ricercatori, ad esempio, hanno scoperto che i circuiti neuronali più attivi del cervello del moscerino erano proprio quelli che coinvolgevano i neuroni legati all'apprendimento, inoltre hanno osservato che esso presentava un'architettura altamente ricorrente, “con il 41 percento dei neuroni che riceveva input ricorrenti a lungo raggio”.
“Se vogliamo capire chi siamo e come pensiamo, parte di questo è comprendere il meccanismo del pensiero. E la chiave è sapere come i neuroni si connettono tra loro”, ha dichiarato l'ingegnere biomedico Vogelstein. Ricordando lo studio sui nematodi iniziato 50 anni fa, lo scienziato ha affermato che quello realizzato dal suo team è il primo connettoma cerebrale e una “bandiera piantata nella sabbia” che dimostra di poter raggiungere questo risultato. Gli scienziati ritengono che la complessa mappatura ottenuta rappresenterà una base “per una moltitudine di studi di follow-up teorici e sperimentali”, aiutando a comprendere meglio il funzionamento del cervello umano e a mettere a punto nuove intelligenze artificiali. Il cervello della larva di moscerino, non a caso, ha evidenziato caratteristiche affini a quelle delle reti di apprendimento automatico, come scorciatoie multistrato e cicli ricorrenti nidificati e prominenti.
“Tutti i cervelli sono simili – sono tutte reti di neuroni interconnessi – e tutti i cervelli di tutte le specie devono eseguire molti comportamenti complessi: hanno tutti bisogno di elaborare informazioni sensoriali, imparare, selezionare azioni, navigare nei loro ambienti, scegliere cibo, riconoscere i propri conspecifici, sfuggire ai predatori etc etc”, ha affermato la neuroscienziata Marta Vlatic, sottolineando la complessità e l'importanza di questi studi. I dettagli della ricerca “The connectome of an insect brain” sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Science.
